שיעור 9 - טיוטה בעבודה

מבוא: חשיבות הממברנה והצורך במעבר סלקטיבי

בשיעור הקודם דיברנו על ממברנות ועל התפקיד החיוני שלהן ביצירת הפרדה בין פנים התא לסביבתו החיצונית. הממברנות עושות עבודה מעולה בכך שהן לא מאפשרות לחומרים לעבור דרכן באופן חופשי. היכולת הזאת להפריד בין פנים לחוץ - בין אם בתאים, באברונים או בכל מבנה ביולוגי אחר - היא חיונית לתפקוד נכון של האורגניזם.

עם זאת, תאים חייבים גם להכניס ולהוציא חומרים ולתקשר עם הסביבה שלהם. מכאן שנדרש מנגנון שיאפשר מעבר מבוקר של חומרים דרך הממברנה. המנגנונים האלה חייבים לפעול תחת בקרה קפדנית - אי אפשר לאפשר לתא להכניס ולהוציא כל מה שהוא “רוצה”.

הדרך העיקרית שבה תאים מעבירים מולקולות קטנות דרך הממברנה היא באמצעות טרנספורטרים ותעלות, שהם נושא השיעור היום. הנושא הזה יחסית אינטואיטיבי, והמנגנונים האלה פועלים פחות או יותר כפי שהיינו מצפים שיפעלו.

חשיבות טרנספורטרים ותעלות בתאים

עד כמה טרנספורטרים ותעלות חשובים לתאים? התשובה משתנה מאורגניזם לאורגניזם, אך בדרך כלל כ-15% עד 30% מהגנום מקודד לטרנספורטרים ותעלות. כלומר, כמעט שליש מהגנום שלנו מוקדש אך ורק להכנסה והוצאה של חומרים מהתא ולשליטה על מעבר מולקולות בין פנים התא לסביבתו החיצונית. זה מעיד על החשיבות העצומה של תהליכים אלה.

יש תאים שרוב האנרגיה שלהם מושקעת בתהליכי העברת חומרים, למשל:

• נוירונים משקיעים את רוב האנרגיה שלהם בהכנסה והוצאה של יונים, שכן עיקרון הפעולה שלהם מבוסס על העברת מטען חשמלי (יונים שנכנסים ויוצאים מהתא).
• תאי כליה וכבד שתפקידם לסנן את מה שאנחנו אוכלים ושותים, עוסקים רוב הזמן בהכנסה והוצאה של חומרים.

ריכוזי יונים בפנים התא ומחוצה לו

נתון מדהים הוא שריכוזי היונים בפנים התא ומחוצה לו נשמרים ברמות דומות כמעט בכל היונקים. למרות שכל יונק חי בסביבה שונה והגוף שלו מתפקד בצורה שונה, עדיין התאים שומרים על ריכוזי יונים כמעט קבועים, מה שמרמז על כך שזוהי הסביבה האופטימלית שהאבולוציה פיתחה לתפקוד תאי.

להלן ריכוזי היונים העיקריים בפנים התא ומחוצה לו:

משמעות ההפרשים הגדולים בריכוזים היא שככל שהפרש הריכוזים גדול יותר, כך החומר יעבור מהר יותר כשיתאפשר לו לעבור. לדוגמה, סידן משמש כאחת המולקולות החשובות ביותר להעברת אותות במערכת העצבים בדיוק בשל פער הריכוזים העצום (פי 10,000) בין חוץ התא לפנים התא. כשתעלת סידן נפתחת, היונים זורמים במהירות רבה, מה שחיוני לפעולות מהירות של מערכת העצבים.

כדי לשמר הפרשי ריכוזים אלה, התא משקיע אנרגיה רבה.

חדירות הממברנה לחומרים שונים

הממברנה כמעט בלתי חדירה להרבה חומרים, אך יש חומרים שכן יכולים לעבור דרכה באופן חופשי או מוגבל:

1. מולקולות לא פולריות: גזים (חמצן, פחמן דו-חמצני, חנקן) והורמונים סטרואידים יכולים לעבור בחופשיות דרך הממברנה. לכן, התא אינו זקוק למנגנון מיוחד כדי להכניס חמצן או להוציא $\text{CO}_2$.

2. מולקולות כמו מים וגליצרול: יכולות לעבור דרך הממברנה, אך זה ייקח זמן רב. מולקולות מים יכולות טכנית לעבור דרך הממברנה השומנית, אך התהליך איטי מדי לצרכי התא.

3. סוכרים ויונים: כמעט שלא יעברו את הממברנה ללא מנגנוני העברה ייעודיים. ליונים, ללא עזרה של טרנספורטרים או תעלות, ייקח זמן בלתי סביר לעבור את הממברנה.

הסיבה הכימית לכך היא שהממברנה עשויה מליפידים (שומנים) עם ראש פוספט וזנב ליפידי. מולקולות פולריות כמו מים או יונים טעונים לא יעברו בקלות דרך השכבה השומנית של הממברנה. לעומת זאת, גזים כמו חמצן ו-$\text{CO}_2$ הם אטומים קטנים ולא פולריים, ולכן יכולים לעבור בקלות.

סוגי חלבונים להעברת חומרים דרך הממברנה

ישנם שני סוגים עיקריים של חלבונים המשמשים להעברת חומרים דרך הממברנה:

1. טרנספורטרים

טרנספורטר הוא חלבון עם אתר קישור ספציפי לחומר שהוא מעביר. כאשר החומר נקשר לטרנספורטר, החלבון עובר שינוי קונפורמציה (שינוי מבני), ממצב שבו הוא פתוח לצד אחד של הממברנה למצב שבו הוא פתוח לצד השני, וכך משחרר את החומר בצד השני.

טרנספורטרים דומים לאנזימים בכך שיש להם סובסטרט ספציפי שהם קושרים, אך בניגוד לאנזימים, הם אינם משנים את החומר עצמו - הם רק מעבירים אותו מצד אחד של הממברנה לצד השני.

תהליך ההעברה מתבצע בשלושה שלבים:

1. קישור המולקולה לטרנספורטר
2. שינוי קונפורמציה של הטרנספורטר (בשלב זה המולקולה אינה חשופה לאף צד של הממברנה)
3. שינוי קונפורמציה נוסף המשחרר את המולקולה בצד השני

2. תעלות

בניגוד לטרנספורטרים, תעלות אינן קושרות ישירות את החומר שהן מעבירות. הן פשוט נפתחות ונסגרות, ומאפשרות מעבר של חומרים ספציפיים דרכן. התעלות ספציפיות מאוד לסוג החומר שהן מעבירות.

בגלל שתעלות לא צריכות לקשור את החומר ולעבור שינויי קונפורמציה מורכבים, הן פועלות הרבה יותר מהר מטרנספורטרים.

העברה פסיבית לעומת העברה אקטיבית

ישנן מספר דרכים להעברת חומרים דרך הממברנה:

1. דיפוזיה פשוטה

החומרים היחידים שעוברים בדרך זו הם גזים כמו חמצן ו-$\text{CO}_2$.

2. העברה פסיבית דרך תעלה

חומר יעבור דרך תעלה רק אם הוא נע בכיוון מפל הריכוזים (מריכוז גבוה לריכוז נמוך). ברגע שהתעלה נפתחת, החומר יעבור באופן טבעי לצד השני.

3. העברה פסיבית דרך טרנספורטר

בדומה לתעלות, טרנספורטרים יכולים להעביר חומרים לפי מפל הריכוזים ללא השקעת אנרגיה.

4. העברה אקטיבית

כאשר יש צורך להעביר חומר נגד מפל הריכוזים (כלומר, מריכוז נמוך לריכוז גבוה), נדרשת השקעת אנרגיה. זו העברה אקטיבית.

הבדל חשוב:

• טרנספורטרים יכולים לפעול הן בהעברה פסיבית והן בהעברה אקטיבית (עם השקעת אנרגיה).
• תעלות פועלות רק בהעברה פסיבית, כלומר רק עם מפל הריכוזים.

קצב העברת חומרים

ישנם הבדלים משמעותיים בקצב העברת חומרים בין טרנספורטרים לתעלות:

• טרנספורטרים: מגיעים בשלב מסוים לקצב מקסימלי שאינם יכולים לעבור. הגבלה זו נובעת מהזמן הדרוש לקישור המולקולה, שינוי הקונפורמציה ושחרור המולקולה.

• תעלות: אינן מוגבלות באותו אופן. ככל שמפל הריכוזים גדול יותר, כך קצב מעבר החומר דרך התעלה יהיה מהיר יותר. אין להן “רוויה” כמו לטרנספורטרים.

הדבר בא לידי ביטוי במתמטיקה:

• בטרנספורטרים: $\text{Rate} = \frac{V_{\max} \cdot [\text{S}]}{K_m + [\text{S}]}$
• בתעלות: הקצב גדל באופן ליניארי עם מפל הריכוזים

מנגנוני העברה אקטיבית

כאשר יש צורך להעביר חומר נגד מפל הריכוזים, יש שלושה מקורות עיקריים לאנרגיה הדרושה:

1. טרנספורטר מצומד (Coupled Transporter)

בשיטה זו, משתמשים במפל הריכוזים של חומר אחד כדי להעביר חומר אחר נגד מפל הריכוזים שלו. הטרנספורטר מכיל שני אתרי קישור - אחד לכל חומר. כאשר החומר הראשון נע לפי מפל הריכוזים שלו, האנרגיה המשתחררת מנוצלת להעברת החומר השני נגד מפל הריכוזים שלו.

2. שימוש ב-ATP

ATP משמש כספק אנרגיה לרוב הפעולות המכניות בתא. בטרנספורטרים תלויי-ATP, קשירת ATP לחלבון גורמת לשינוי קונפורמציה שמספק את האנרגיה הדרושה להעברת החומר נגד מפל הריכוזים.

3. שימוש באור

מנגנון זה נפוץ ברצפטורים בעין ובצמחים. פוטון שפוגע בחלבון גורם לשינוי קונפורמציה ומספק אנרגיה.

סוגי טרנספורטרים לפי מספר החומרים המועברים

1. יוניפורט (Uniport)

טרנספורטר המעביר מולקולה אחת בלבד. זה יכול להיות בהעברה פסיבית (עם מפל הריכוזים) או בהעברה אקטיבית (נגד מפל הריכוזים, עם השקעת אנרגיה).

2. סימפורט (Symport)

טרנספורטר המעביר שני חומרים שונים באותו כיוון. לדוגמה, אם מולקולה אחת (כחולה) רוצה להיכנס לתא בגלל מפל הריכוזים שלה, והמולקולה השנייה (אדומה) צריכה להיכנס נגד מפל הריכוזים שלה, הסימפורטר מנצל את האנרגיה ממפל הריכוזים של המולקולה הכחולה כדי להכניס גם את המולקולה האדומה.

3. אנטיפורט (Antiport)

טרנספורטר המעביר שני חומרים בכיוונים מנוגדים. מפל הריכוזים של חומר אחד משמש להעברת החומר השני בכיוון ההפוך.

בניגוד לסימפורט, באנטיפורט אנחנו מעבירים מולקולות בכיוונים מנוגדים. המולקולה הכחולה מוצאת מהתא לסביבה החיצונית, והמולקולה האדומה נכנסת לתא. גם כאן אנחנו מנצלים את מפל הריכוזים של אחת המולקולות (הכחולה) שרוצה לצאת מהתא (בגלל שהריכוז שלה נמוך יותר בחוץ) כדי לספק את האנרגיה להכנסת המולקולה השנייה (האדומה) שלא רוצה להיכנס (כי הריכוז שלה גבוה יותר בצד החיצוני).

שתי המולקולות נקשרות לטרנספורטר בצדדים מנוגדים, ובשינוי הקונפורמציה אחת יוצאת והשנייה נכנסת. יש גם מנגנונים בהם קודם נקשרת מולקולה אחת, ורק כאשר נקשרת המולקולה השנייה מתרחש שינוי הקונפורמציה.

נקודה חשובה: ההבדל בין סימפורט לאנטיפורט הוא שבסימפורט שתי המולקולות נכנסות מאותו צד של הממברנה, ובאנטיפורט המולקולות נכנסות מכיוונים מנוגדים.

דוגמה מרכזית: טרנספורטרים של גלוקוז בתאי אפיתל

בתאי אפיתל במעי ישנם טרנספורטרים רבים המבוססים על ניצול מפל הריכוזים של נתרן כדי להכניס גלוקוז לתוך התאים. הגוף עובד קשה כדי לשמור על ריכוז נתרן נמוך בתוך התאים (וגבוה מחוץ לתאים), כך שנתרן תמיד “רוצה” להיכנס לתא.

מאידך, ריכוז הגלוקוז גבוה יותר בתוך תאי האפיתל מאשר בחלל המעי (אלא אם כן אכלתם כמות גדולה של סוכרים). לכן, גלוקוז לא ייכנס באופן ספונטני לתאים - זה נגד מפל הריכוזים.

הפתרון: סימפורטר של נתרן-גלוקוז. טרנספורטר זה מנצל את הרצון של הנתרן להיכנס לתא כדי “לגרור” איתו גם את הגלוקוז פנימה. ברגע שנתרן נקשר לטרנספורטר וגלוקוז מצטרף אליו, הכוח שמניע את הנתרן פנימה פותח את הטרנספורטר ומאפשר לגלוקוז להיכנס לתא כנגד מפל הריכוזים שלו.

הערה חשובה: ברגע שהגלוקוז נכנס לתא, עלינו להבטיח שמפל הריכוזים של הנתרן יישמר. לכן, הנתרן שנכנס חייב להיות מוצא החוצה בשלב מסוים, דבר הדורש השקעת אנרגיה.

מנגנון מלא להעברת גלוקוז במעי

בואו נסתכל על התמונה המלאה של העברת גלוקוז במעי:

1. כניסת גלוקוז לתא האפיתל:
   • בחלק העליון של התא (צד הלומן - חלל המעי) יש גלוקוז שאנחנו רוצים להכניס לתא.
   • הגלוקוז נכנס דרך סימפורטר נתרן-גלוקוז, המנצל את מפל הריכוזים של הנתרן.
2. יציאת גלוקוז לזרם הדם:
   • בצד השני של התא (הצד הבזאלי הפונה לזרם הדם), ריכוז הגלוקוז בתא גבוה יותר מאשר בדם.
   • הגלוקוז יוצא באופן פסיבי דרך יוניפורטר (טרנספורטר פשוט), ללא צורך בהשקעת אנרגיה.
3. שמירה על מפל הריכוזים של נתרן:
   • כדי שהמערכת תמשיך לעבוד, יש צורך להוציא את הנתרן שנכנס לתא.
   • זה נעשה על ידי משאבת נתרן-אשלגן (Na⁺/K⁺ ATPase), שמוציאה נתרן ומכניסה אשלגן תוך השקעת אנרגיה (ATP).

הערה על מיקום הטרנספורטרים: חשוב לציין שהטרנספורטרים ממוקמים בצורה מאורגנת בממברנת התא. הסימפורטר נמצא בצד האפיקלי (הפונה לחלל המעי), והיוניפורטר נמצא בצד הבזאלי (הפונה לזרם הדם). מה שמונע מהטרנספורטרים לנוע מצד לצד הם חלבונים הנקראים “Tight Junctions”, היוצרים מחסום בין שני צדדי הממברנה ומחברים תאי אפיתל סמוכים.

טרנספורטרים תלויי ATP

עד כה דיברנו בעיקר על טרנספורטרים הפועלים עם מפל הריכוזים או מנצלים מפל ריכוזים של חומר אחד להעברת חומר אחר. כעת נדון בטרנספורטרים המשתמשים ישירות באנרגיה מ-ATP להעברת חומרים נגד מפל הריכוזים.

ישנם שלושה סוגים עיקריים של טרנספורטרים תלויי ATP:

1. משאבות מסוג P (P-type ATPases)

• תפקידן העיקרי הוא להעביר יונים.
• פועלות באופן פשוט יחסית: יון נקשר בצד אחד, יש השקעה של ATP, הטרנספורטר משנה קונפורמציה, והיון משתחרר בצד השני.
• דוגמה מרכזית: משאבת הנתרן-אשלגן (Na⁺/K⁺ ATPase).

2. טרנספורטרים מסוג ABC (ATP Binding Cassette)

• ABC הם ראשי תיבות של ATP Binding Cassette.
• שונים מבחינה מבנית ממשאבות מסוג P.
• מעבירים בעיקר מולקולות קטנות כמו סוכרים או חלבונים קטנים, בניגוד למשאבות מסוג P שמעבירות בעיקר יונים.
• התגלו לראשונה בחיידקים והם בעלי חשיבות רבה בעמידות לאנטיביוטיקה, כיוון שהם יכולים להוציא אנטיביוטיקה מתוך החיידק החוצה, גם נגד מפל הריכוזים.
• חשוב לציין שמנגנונים אלו התפתחו הרבה לפני שבני אדם החלו להשתמש באנטיביוטיקה, כחלק מהמאבק האבולוציוני בין חיידקים לפטריות.

3. משאבות מסוג V ו-F (V-type and F-type ATPases)

• משאבות מסוג V (V-type): מוציאות פרוטונים (יוני מימן, H⁺) מהתא החוצה נגד מפל הריכוזים, תוך שימוש באנרגיה מ-ATP.
• משאבות מסוג F (F-type) או ATP סינתאז: פועלות בכיוון ההפוך - הן מנצלות את מפל הריכוזים של הפרוטונים (שרוצים להיכנס לתא) כדי לייצר ATP. זוהי למעשה טורבינה מולקולרית שמייצרת אנרגיה כאשר פרוטונים זורמים דרכה. זהו הבסיס לייצור אנרגיה בכל האורגניזמים החיים, במיוחד במיטוכונדריה ובכלורופלסטים.

הבהרה: משאבות V-type דורשות ATP כי הן פועלות נגד מפל הריכוזים, בעוד ש-F-type ATP סינתאז פועל עם מפל הריכוזים ולכן דווקא מייצר ATP.

משאבת הנתרן-אשלגן (Na⁺/K⁺ ATPase)

משאבת הנתרן-אשלגן היא אחד הטרנספורטרים החשובים ביותר בתאים. זוהי משאבה מסוג P שמשתמשת ב-ATP כדי להוציא נתרן ולהכניס אשלגן כנגד מפל הריכוזים של שניהם.

למרות שנתרן ואשלגן הם שניהם יונים חיוביים עם מטען זהה, המערכת הביולוגית מפרידה ביניהם. ייתכן שזו נראית כהשקעת אנרגיה מיותרת, אך כנראה שזהו “פטנט” אבולוציוני מוצלח מאוד, שכן כל היצורים החיים משתמשים במנגנון זה. כשליש מהאנרגיה המושקעת בתאים של בעלי חיים מוקדשת רק למשאבה זו.

היעילות של המשאבה היא שהיא משקיעה מולקולת ATP אחת כדי להעביר שלושה יוני נתרן החוצה ושני יוני אשלגן פנימה, מה שהופך אותה ליעילה יחסית.

תעלות

בניגוד לטרנספורטרים, תעלות הן פשוט “חורים” בממברנה שיכולים להיפתח ולהיסגר. בדומה לכיור בבית, כשהפקק פתוח המים זורמים מלמעלה למטה בהתאם לכוח הכבידה. אין לכיור שליטה על כיוון הזרימה - זה נקבע על ידי כוחות חיצוניים.

באותו אופן, תעלות אינן שולטות בכיוון מעבר החומרים דרכן - מפל הריכוזים הוא שקובע את כיוון המעבר. אולם, תעלות יכולות להיפתח ולהיסגר במהירות רבה מאוד, וזו תכונה חשובה במיוחד.

יתרונות התעלות

• מהירות: תעלות פועלות מהר הרבה יותר מטרנספורטרים, מה שהופך אותן למתאימות במיוחד להעברת אותות מהירים, כמו במערכת העצבים.
• יעילות בהעברת יונים: תעלות מאפשרות העברה מהירה של יונים, חיוניות במיוחד לתהליכים כמו העברת אותות עצביים ותגובות מהירות אחרות.

אולם, בניגוד לטרנספורטרים, תעלות יכולות לפעול רק עם מפל הריכוזים ולא נגדו, כיוון שהן אינן משתמשות באנרגיה.

תעלות יוניות וסלקטיביות מולקולרית: פלאי האבולוציה ברמה המולקולרית

בחלק זה של ההרצאה, נעמיק בנושא של תעלות ממברנליות, במיוחד בדגש על המנגנונים המופלאים שמאפשרים סלקטיביות מדויקת ברמה המולקולרית. כפי שנראה, האבולוציה פיתחה מבנים מורכבים אך מדויקים להפליא, שפועלים על בסיס הבדלים זעירים בין מולקולות ויונים.

תעלות לעומת טרנספורטרים: מהירות מול יכולת בקרה

יש הבדל דרמטי במהירות הפעולה בין שני סוגי חלבוני המעבר שלמדנו עליהם:

תעלות הן פי 10,000 מהירות יותר מטרנספורטרים. הבדל עצום זה מסביר מדוע תעלות הן החלבונים המועדפים בתהליכים הדורשים תגובה מהירה במיוחד, כמו העברת אותות עצביים.

אולם, למהירות זו יש מחיר: בניגוד לטרנספורטרים, לא ניתן לחבר תעלות למקור אנרגיה. כתוצאה מכך, הן אינן יכולות להעביר חומרים נגד מפל הריכוזים. האפשרות היחידה לבקרה היא קביעת הזמנים בהם התעלה נפתחת או נסגרת.

אקווה-פורינים: תעלות המים המופלאות

אחת הדוגמאות המרתקות ביותר לתעלות היא האקווה-פורין (מלשון “אקווה” - מים, “פור” - חור או מעבר). תעלות אלו נמצאות במקומות רבים בגוף שבהם נדרשת העברה מהירה של מים, כמו בתהליך הזיעה.

סלקטיביות מדהימה למולקולות מים בלבד

האקווה-פורינים מציגים רמת סלקטיביות מרשימה במיוחד - הם מעבירים מולקולות מים בלבד, למרות שנוזלי הגוף מכילים יונים רבים שבדרך כלל מוקפים במולקולות מים. כיצד הם מצליחים להפריד בין המים לבין היונים הקשורים אליהם?

המבנה המיוחד של האקווה-פורין כולל:

1. מבנה סימטרי עם פתחים משני צדדיו
2. קבוצות קרבוניל (C=O) בצדדי התעלה, היוצרות קשרים חולפים עם אטומי המימן של מולקולת המים
3. חומצות אמינו מסוג אספרגין במרכז התעלה, עם קבוצות שיוצרות קשרים עם אטום החמצן של מולקולת המים

כאשר מולקולת מים עוברת דרך התעלה, מתרחש תהליך מדויק:

• תחילה, אטומי המימן של המים נקשרים לקבוצות הקרבוניל
• במרכז התעלה, אטום החמצן של המים נקשר לקבוצות האמינו של האספרגין
• בהמשך המסלול, נוצרים שוב קשרים עם המימן

רק מולקולת מים יכולה לבצע את השינויים האלה בקשרים - להיקשר פעם דרך המימן ופעם דרך החמצן. אף יון אחר אינו מסוגל לכך, ולכן אינו יכול לעבור דרך התעלה.

עקרונות בסיסיים של תעלות ממברנליות

בכל תעלה ישנם שני מרכיבים מרכזיים:

1. פילטר סלקטיבי (Selectivity Filter) - האזור הצר ביותר בתעלה הקובע אילו מולקולות או יונים יכולים לעבור דרכה

2. שער (Gate) - המנגנון המאפשר פתיחה וסגירה של התעלה, ובכך שליטה על מעבר החומרים

מכיוון שמפל הריכוזים הוא שקובע את כיוון המעבר, הדרך היחידה שבה התא יכול לשלוט בתהליך היא באמצעות פתיחה וסגירה של השער.

שלושה סוגים עיקריים של תעלות בעלות שער

התאים פיתחו מגוון מנגנונים לפתיחה וסגירה של תעלות:

1. תעלות מבוקרות מתח (Voltage-Gated Channels)

תעלות אלו נפתחות ונסגרות בתגובה לשינויים במתח החשמלי על פני ממברנת התא. הן מהוות את הבסיס לפעילות החשמלית של נוירונים ותאי שריר.

2. תעלות מבוקרות ליגנד (Ligand-Gated Channels)

תעלות הנפתחות כאשר מולקולה ספציפית (ליגנד) נקשרת אליהן. במערכת העצבים, נוירוטרנסמיטורים כמו GABA, דופמין וסרוטונין משמשים כליגנדים כאלה.

תעלות אלו הן לרוב תעלות סידן, והסיבה לכך אינה מקרית - מפל הריכוזים של סידן הוא הגדול ביותר מבין כל היונים (פי 10,000!), מה שמבטיח תגובה מהירה במיוחד כשהתעלה נפתחת.

רוב הסמים המשפיעים על מערכת העצבים פועלים כליגנדים המתחרים בנוירוטרנסמיטורים הטבעיים על הקישור לתעלות אלו.

3. תעלות מבוקרות מכנית (Mechanically-Gated Channels)

תעלות המגיבות ללחץ פיזי על ממברנת התא. תעלות מסוג פיאזו (Piezo) הן דוגמה לכך, והן מאפשרות לנו לחוש מגע, לחץ וכאב.

תעלת האשלגן: פלא של דיוק מולקולרי

תעלת האשלגן מהווה אחת הדוגמאות המרשימות ביותר לדיוק המופלא בביולוגיה מולקולרית. היא מצליחה להבחין בין יוני אשלגן (K⁺) ליוני נתרן (Na⁺), למרות הדמיון הרב ביניהם:

• לשניהם מטען חיובי זהה (+1)
• ההבדל בגודל ביניהם הוא רק 40 פיקומטר (0.04 ננומטר)!

זהו הבדל זעיר להפליא, ובכל זאת התעלה מצליחה להבחין ביניהם בדייקנות מושלמת.

מנגנון הסלקטיביות המדויק

הפילטר הסלקטיבי של תעלת האשלגן כולל ארבע קבוצות קרבוניל המסודרות במעגל. כאשר יון מגיע לתעלה, עליו לוותר על מעטה המים שמקיף אותו בדרך כלל.

• יון האשלגן, בזכות גודלו המדויק, יכול ליצור ארבעה קשרים חולפים עם קבוצות הקרבוניל
• קשרים אלו מספקים לו יתרון אנרגטי מספיק כדי לשחרר את מולקולות המים ולעבור דרך התעלה

לעומת זאת:

• יון הנתרן, בהיותו קטן יותר, יכול ליצור רק שני קשרים עם קבוצות הקרבוניל
• שני קשרים אלו אינם מספיקים כדי להעניק לו יתרון אנרגטי על פני הקשרים שלו עם המים
• לכן, הנתרן “מעדיף” להישאר מוקף במים ואינו עובר דרך התעלה

המורכבות המופלאה של תהליכי החיים

הדוגמאות שראינו מבהירות את המורכבות המופלאה של תהליכי החיים ברמה המולקולרית. הבדל מזערי של 40 פיקומטר - מרחק שאיננו יכולים אפילו לדמיין - הוא ההבדל בין תפקוד תקין של הגוף לבין כשל מערכתי.

חשוב לציין שכל התעלות והטרנספורטרים שלמדנו עליהם הם חלבונים מסוג “מולטי-פאס” - כלומר, הם חוצים את ממברנת התא מספר פעמים. תכונה זו הכרחית ליצירת מבנים פונקציונליים שיכולים לשמש כתעלות או כטרנספורטרים.

האבולוציה, לאורך מיליארדי שנים, יצרה מערכות מדויקות להפליא שפועלות על בסיס הבדלים מולקולריים זעירים - דוגמה מרהיבה לדיוק ולמורכבות של העולם החי.